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旧无线技术的新升级可以实现实时3D动作捕捉

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  • Liezel Labios

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一项帮助人们找到钥匙和钱包的无线技术有一天可能被用于精确实时的3D动作捕捉,这要感谢加州大学圣地亚哥分校的电气工程师进行的升级。

该团队的新工作改进了一种称为超宽带(UWB)的无线通信技术。这项技术已经存在多年,但直到最近,超宽带才开始受到欢迎,因为它在确定其他设备的位置和移动方面比WiFi和蓝牙更准确。

它也有潜力开拓更大的可能性,比如室内导航;智能仓库,提供精确和实时的库存和人员位置;以及3D动作捕捉,可以无线实时完成,用于虚拟现实和体育分析等应用。

但要实现这一目标,必须克服当前超宽带技术的几个限制,电子与计算机工程教授、麻省理工学院教员迪尼希·巴拉迪亚(Dinesh Bharadia)说无线通信中心加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院。他解释说,超宽带系统需要比现在更快地工作,以极低的功耗运行,并提供高精度的3D定位。

Bharadia的无线通信传感与网络组最近开发了一个符合这些标准的超宽带系统原型。它传输数据的延迟只有1毫秒;它的耗电量非常少,用一个小硬币电池就可以连续运行两年多;它可以对静止物体精确到3厘米以内,对移动物体精确到8厘米以内。

研究人员将展示他们的超宽带系统ULoc,在2021年主要会议将于9月21日至26日以虚拟方式举行。

新系统从根本上改变了超宽带系统用来定位物体的过程。超宽带系统通常由两个主要部分组成:一个被称为标签的小型跟踪设备,可以附着在物体上,以及一组被称为锚点的设备,安装在环境中的不同位置,用于检测来自标签的无线电信号。

目前UWB跟踪的工作方式是标签向所有锚点发送信号,而锚点反过来将这些信号发送回标签。系统测量这些信号返回标签所需的时间。然后,它使用这些信息来计算标签和每个锚点之间的距离,然后可以对标签的位置进行三角测量。

Bharadia解释说,这个过程的问题在于它涉及大量的信号交换。一个标签需要向每个锚点发送单独的信号,而每个锚点反过来又向标签发送信号。“这使得系统变慢。它不可扩展,也不提供3D定位。”

一个人拿着一个芯片,站在一个被四块电子电路板包围的开放房间里。

新的超宽带系统由一个小型电子标签(插图显示标签的大小与美国便士相比)组成,它同时向四个锚点传输一个信号。

为了简化这一过程,研究人员更新了标签的软件,这样它只需要向所有锚点总共发送一个信号。这也大大降低了标签的功耗;它可以在一个小型硬币电池上连续运行两年以上,而目前的超宽带标签在这种电池上只能持续几个月。他们还建立了新的锚,可以只使用一个信号,并获得标签的3D位置。该团队开发了特殊的天线阵列和新算法,使锚能够准确估计标签信号到达的3D角度和方向。锚能够从多个有利位置测量这个3D角度,因此他们可以精确地定位标签。

在测试中,当一名研究人员拿着标签在开放的办公空间里移动时,新的UWB系统在一毫秒的延迟内准确地跟踪了标签的3D位置。研究人员指出,尽管该系统处于“嘈杂”的环境中,但其表现良好——电脑屏幕、玻璃窗和金属片会干扰超宽带信号并产生噪音。

该团队目前正致力于构建端到端的动作捕捉系统,应用范围从VR游戏到体育分析,以及医疗保健领域的自主机器人。研究人员表示,他们正在寻求与工业伙伴合作,进一步开发和商业化这项技术。

:“ULoc:低功耗,可扩展和厘米精度uwb标签定位和跟踪室内应用赵。”合作者包括结果表明,泰勒Chang Aditya阿伦,罗山Ayyalasomayajula,太极张,加州大学圣地亚哥分校。

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